Moc z kosmosu. Wielki wyścig o superczystą energię dla Ziemi

Jeśli wszystko pójdzie z planem, w nadchodzącym roku gdzieś w Chinach może zapalić się żarówka. To samo w sobie nie jest rzecz jasna niczym niezwykłym, ale bardzo niezwykłe może być źródło jej zasilania. W 2022 r. Chiny planują pierwszy test rewolucyjnej technologii. Transmisji energii zebranej w kosmosie na Ziemię.  

Long Lehao, główny projektant chińskiej serii rakiet Długi Marsz, zapowiedział w listopadzie, że starty przygotowywanej do debiutu rakiety Długi Marsz 9 zostaną wykorzystane do budowy kosmicznych instalacji słonecznych 35 786 kilometrów nad Ziemią.Projekt miałby na celu stworzenie instalacji do gromadzenia energii słonecznej niemal w sposób ciągły, bez negatywnego wpływu pogody czy zmian pór roku. Przetworzona energia byłaby następnie przesyłana na Ziemię za pomocą mikrofal lub laserów. Projekt zapewniłby energię odnawialną na dużą skalę i pomógłby rozwiązać problem niedoboru zasobów energetycznych.

Według Longa projekt miałby się rozpocząć od testu wytwarzania energii elektrycznej na małą skalę w 2022 r., co doprowadziłoby do powstania obiektu wytwarzającego energię na poziomie megawatów około 2030 r. Około 2050 r. orbitalne elektrownie miałyby moc liczoną w gigawatach. Wymagałoby to ponad 100 startów rakiet i około 10 000 ton infrastruktury zgromadzonej na orbicie. Projekt wymaga stworzenia systemu gromadzenia energii słonecznej o powierzchni rzędu kilometrów kwadratowych oraz dużego systemu przesyłu energii mikrofalowej.

To nie Chińczycy wpadli na pomysł produkowania energii elektrycznej ze światła słonecznego w kosmosie i wysyłania jej na Ziemię. Pomysły na bezprzewodową transmisję energii miał już Nikola Tesla, a podobny system w swoim opowiadaniu opisał już w 1941 r. mistrz S-F Isaac Asimov.

Zasadnicze założenie podobnych systemów jest bardzo proste. Słońce jest najlepszym źródłem energii, jakie znamy, ale na Ziemi nie mamy idealnych warunków do jej wykorzystywania. Przeszkadzają chmury, zanieczyszczenia czy upierdliwe zmiany pór roku, które sprawiają, że nasza gwiazda nie zachowuje stałej pozycji na niebie.

W związku z tym najlepiej stworzyć słoneczne elektrownie tam, gdzie Słońce świeci zawsze. W kosmosie. Ogromne instalacje składające się z kilometrów kwadratowych kosmicznych paneli fotowoltaicznych gromadziłyby energię, która następnie, w postaci fal mikrofalowych czy laserów byłaby wysyłana do odbiorników na Ziemi.

Pierwszy patent dotyczący orbitalnych elektrowni zatwierdzono w USA już w 1968 r., a w połowie lat 70., w należącym do NASA Goldstone Deep Space Communications Complex w Kalifornii z powodzeniem przeprowadzono eksperymenty z transmisją za pomocą mikrofal energii liczonej w dziesiątkach kilowatów.

Prace prowadzone w NASA do początku lat 80. wykazały jednak, że efektywne wykorzystanie tego pomysłu wymagałoby inwestycji w technologie i infrastrukturę, na które nikt wtedy nie był gotowy. Wysyłanie tak ogromnej ilości ładunków na orbitę było po prostu zbyt drogie. Wszystko zmieniło się dzięki galopującym zmianom klimatu i niemal równie szybkiemu postępowi, jaki w ostatnich latach dokonał się w technologiach kosmicznych.

Chińczycy przygotowują się do pierwszego eksperymentu z orbitalną elektrownią. Amerykanie już go prowadzą. Po cichu.

Należący do amerykańskich Sił Powietrznych bezzałogowy wahadłowiec X-37B pozostaje na orbicie od 780 dni. Większość prowadzonych przez niego działań jest tajna. Jedno - nieco mniej.

Wahadłowiec, który wystartował w maju 2020 r., jest wyposażony w Photovoltaic Radio-frequency Antenna Module Flight Experiment (PRAM-FX). Stworzony przez Naval Research Laboratory (NRL) eksperyment, który przetwarza zgromadzoną na orbicie energię słoneczną w mikrofale.

"Działa doskonale" - mówił portalowi Space.com Paul Jaffe, elektronik z NRL, pracujący nad satelitami energetycznymi i słonecznymi. "Otrzymujemy dane regularnie, a to, co dostajemy, przekracza nasze oczekiwania"

Eksperyment opiera się głównie na częściach "ze sklepu" - gotowych, komercyjnych komponentach, które są wielokrotnie tańsze od elementów projektowanych specjalnie na potrzeby komercyjnych misji. To właśnie wielka szansa kosmicznej energetyki. Do tej pory jej zastosowanie było niemożliwe, bo zaprojektowanie i zbudowanie od zera byłoby koszmarnie drogie, zarówno przez koszty związane z wyprodukowaniem odpowiednich części, jak i przez ogromne koszty wyniesienia ich na orbitę. Jedno i drugie błyskawicznie zmienia się, dzięki kosmicznemu internetowi.

Należąca do Elona Muska firma SpaceX jest dziś pierwszą na świecie firmą prowadzącą seryjną produkcję satelitów. Jej pojazdy Starlink, mające dostarczać szybki internet w najbardziej niedostępne miejsca na ziemi, są produkowane na skalę niespotykaną wcześniej w branży kosmicznej. Firma produkuje 30 ton satelitów miesięcznie. W ciągu pięciu lat od rozpoczęcia projektu, ma umieścić na orbicie 40 tysięcy pojazdów. 1 stycznia 2021 roku na ziemskiej orbicie znajdowało się łącznie nieco ponad 6 i pół tysiąca satelitów.

Tanie, modułowe satelity równie dobrze, co do rozprowadzania w niedostępne zakątki ziemi Instagrama i Twittera, mogłyby sprawdzić się w gromadzeniu energii słonecznej. Ale spadek ceny samych satelitów to rozwiązanie tylko połowy problemu. Drugim elementem układanki jest koszt wyniesienia ich na orbitę. Tu również SpaceX dokonał rewolucji. Ich rakiety Falcon 9 są pierwszymi w historii pojazdami, które są w stanie wynosić ładunki na orbitę i, w znacznej części, wracać nietknięte na ziemię by powtórzyć ten wyczyn kilka tygodni później. Pierwsze człony rakiet regularnie wracają dziś na wyrzutnię, co wiąże się z redukcją kosztów startów o miliony dolarów.

Analitycy szacują, że w roku 2100 podobne megakonstelacje energetycznych satelitów mogłyby zapewniać około 80 proc. ziemskiego zapotrzebowania na prąd.

Nawet jeśli uda się przezwyciężyć biznesowe przeszkody stojące dziś na drodze astroelektryczności, pozostają inne, być może bardziej poważne.

Każdy obiekt na orbicie jest w zasadzie bezbronny. Przewidywalne ruchy satelitów sprawiają, że są łatwymi celami dla każdego, kto chciałby je wyłączyć z akcji czy zniszczyć. Większość światowych mocarstw przetestowało już broń antysatelitarną: odpowiednimi rakietami dysponują USA, Chiny, Rosja, Indie i najprawdopodobniej Izrael. W razie gorącego konfliktu między mocarstwami, bezzałogowe orbitalne elektrownie byłyby atrakcyjnymi celami. A to oznacza, że wraz z nimi na orbicie mogą pojawić się instalacje obronne. Walka o prąd z kosmosu może się mocno zaognić. 

Istnieje jeszcze jedno zagrożenie. Wysyłanie energii z orbity na ziemię będzie wymagało stworzenia w kosmosie anten długich na kilka kilometrów - i i naziemnych odbiorników wielokrotnie większych od nich. To doskonałe cele dla wszelkiego rodzaju ataków, ale nie tylko: atak hakerski czy błąd, który sprawiłby, że strumień energii wysyłanej z orbity zostałby sprowadzony z właściwego kursu mógłby zmienić strumień drogocennej energii w broń siejącą zniszczenie z kosmosu. Zabezpieczenia podobnych elektrowni będą musiały być silniejsze od nawet najbardziej rygorystycznych mechanizmów obronnych zabezpieczających dziś elektrownie atomowe.

Mimo wszystkich obaw i zastrzeżeń, orbitalna energetyka ma szansę zmienić to, jak żyjemy na Ziemi. Firma doradcza Frazer-Nash Consultancy szacuje, że energia słoneczna z kosmosu może pomóc nam osiągnąć zerowe emisje netto do 2050 r. Bez niej spełnienie tego celu będzie ekstremalnie trudne.